本公开涉及普通转动装置的转速控制领域，尤其涉及一种面向发动机台架的转速自适应控制系统及其方法。
背景技术：
发动机-测功机台架系统是一个以发动机油门开度和测功机加载力矩为输入，以发动机扭矩和转速为输出，以瞬时转速和瞬时扭矩分别跟踪测试工况循环的转速、扭矩曲线为目标的双输入双输出的耦合系统。发动机台架进行瞬态循环实验时，一般采用测功机控制转速、发动机控制扭矩的工作模式。其中，测功机控制器通过改变加载力矩实现转速闭环。测功机通过联轴器与发动机相连，发动机是一个高度非线性的时滞系统，扭矩波动较大，给测功机的转速控制带来挑战。同时，开发在被测发动机-测功机台架系统参数更换后，能快速控制好新的台架进行实验，以缩短目前基于pid的控制方法在台架更换后的参数调节时间的更加先进的控制方法具有重大的工业应用价值。
综上所述，对发动机-测功机组成的非线性、时滞、双输入双输出的耦合系统，目前还没有满足实际应用需求的控制系统及其控制方法。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种面向发动机台架的转速自适应控制系统及其方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种面向发动机台架的转速自适应控制系统，用于对由发动机和测功机构成的台架系统进行转速控制，所述台架系统的发动机与测功机通过连接轴连接，并通过连接轴上设置的传感器输出实际转速至转速自适应控制系统，发动机控制器与发动机相连，测功机控制器与测功机相连；台架控制上位机发送目标转速至转速自适应控制系统；所述转速自适应控制系统包括：参考模型模块，用于对所述台架控制上位机输出的目标转速进行滤波处理，作为转速自适应控制系统的参考转速目标值；参数辨识反馈单元，基于从台架系统获取的发动机转速，测功机输出扭矩和转速，以及参考模型模块输出的参考转速目标值，对台架系统的测功机转动惯量进行参数辨识，同时对台架系统内外部总扰动进行观测和补偿，并对补偿后的台架系统产生反馈控制量；以及反馈系数修正模块，获取目标转速、实际转速和参考转速目标值，用于对所述参数辨识反馈单元中的反馈控制量进行实时修正。
在本公开的一些实施例中，参数辨识反馈单元包括：参数辨识模块，用于对台架系统的测功机转动惯量进行参数在线辨识；扩张状态观测器模块，用于对台架系统的内外部总扰动进行实时观测和补偿；以及自适应反馈模块，用于产生反馈控制量，作为经所述扩张状态观测器模块补偿后的台架系统的控制输入。
一种面向发动机台架的转速自适应控制方法，包括以下步骤：步骤a：参考模型模块自所述台架控制上位机获取目标转速，并对目标转速进行滤波处理得到参考转速目标值；步骤b：对台架系统的测功机转动惯量jd进行参数在线辨识，根据
实现对b0的估计；步骤c：采集测功机的实际转速和目标加载力矩，利用扩张状态观测器模块对台架系统内外的扰动进行观测；步骤d：自台架控制上位机获取测试循环的目标转速，结合传感器采集的测功机实际转速，基于反馈系数修正模块的输出值更新自适应反馈模块的反馈控制量；步骤e：将步骤d计算出的反馈控制量减掉步骤c观测出的扰动，再除以b0，得到测功机的目标加载力矩，并将其发送给所述台架系统的测功机控制器。
在本公开的一些实施例中，步骤b包括：子步骤b1：建立测功机的动力学方程，并进行离散化处理；子步骤b2：基于实时采集的参数，对台架系统的测功机转动惯量jd进行参数在线辨识；实时采集的参数包括：发动机转速、测功机输出扭矩和转速以及参考模型模块输出的参考转速目标值；子步骤b3：根据
实现对b0的估计。
在本公开的一些实施例中，步骤c包括：子步骤c1：将测功机的动力学方程改写为状态空间方程的形式；子步骤c2：利用扩张状态观测器，以测功机的实际转速和测功机的目标加载力矩为输入，实时观测出台架系统的内外总扰动。
在本公开的一些实施例中，步骤d包括：子步骤d1：采集测功机的实际转速，台架上位机输出的测试循环的目标转速，并计算实际转速与参考转速目标值的差值；子步骤d2：自适应反馈控制律为参考转速目标值和实际转速的函数，其中系数可调；子步骤d3：推导系数修正方程。
在本公开的一些实施例中，子步骤d3中，基于lypunov原理推导满足台架系统稳定运行的系数修正方程。
在本公开的一些实施例中，步骤b中，对台架系统的测功机转动惯量进行参数在线辨识时，是基于带遗忘因子的递推最小二乘的方法。
在本公开的一些实施例中，步骤a中，参考模型模块对台架控制上位机输出的目标转速进行的滤波处理为一阶滤波处理。
在本公开的一些实施例中，步骤a中，目标转速通过can总线发送至参考模型模块。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开面向发动机台架的转速自适应控制系统及其方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)参数辨识反馈单元中，通过参数辨识模块得到测功机的转动惯量，利用转动惯量与扩张状态观测器模块中参数b0的关系，减少了目前应用中扩张状态观测b0参数的整定时间；
(2)本公开将来自系统内外部的未知动态当作总扰动的一部分，利用扩张状态观测器(extendedstateobserver，eso)进行在线观测和补偿，避免了常规控制方法中的复杂建模，也避免了模型精度的不足/不确定性，给控制性能带来的负面影响；
(3)扩张状态观测器模块与自适应反馈模块的结合，将所有的不确定性进行实时观测和补偿，同时基于lyapunov原理设计反馈控制率，能保证系统的全局稳定性及鲁棒性。
(4)本公开的待标定参数少，自适应反馈模块中的参数能够由反馈系数修正模块进行实时更新，相比于传统的pid或者adrc，控制器需要调节的参数明显减少，标定简单。
附图说明
图1为本公开实施例基于扰动观测的转速控制系统在发动机-测功机台架中的结构组成示意图。
图2为图1中转速自适应控制系统的原理示意图。
图3为本公开实施例面向发动机台架的转速自适应控制方法流程示意图。
图4(a)为基于带遗忘因子的递推最小二乘算法的测功机模型参数辨识过程。
图4(b)为基于扩张状态观测器的扰动估计。
图4(c)为本公开提出的转速自适应控制方法在etc循环城市工况下的转速跟踪效果。
具体实施方式
本公开提供了一种基于扰动观测的转速控制系统及其方法，用于对发动机和测功机构成的台架控制系统进行转速控制，其中转速控制系统包括：参考模型模块、参数辨识反馈单元和反馈系数修正模块；参考模型模块，对所述台架控制上位机输出的目标转速进行一阶滤波处理，作为转速控制系统的参考转速目标值；参数辨识反馈单元，用于辨识台架系统的参数，同时对台架系统内外部总扰动进行观测和补偿，并对补偿后的系统产生控制量；反馈系数修正模块，对参数辨识反馈单元中的反馈控制量进行实时修正。本公开利于提高发动机-测功机台架系统的瞬态转速跟踪性能和控制方法的自适应性，有效减少控制方法需要调节的参数，进而减少调参时间。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于扰动观测的转速控制系统。图1为本公开实施例基于扰动观测的转速控制系统在发动机-测功机台架中的结构组成示意图。如图1所示，台架系统中发动机与测功机通过连接轴连接，发动机控制器与发动机相连，测功机控制器与测功机相连，台架系统通过连接轴上设置的传感器输出实际转速至转速自适应控制系统，这里的转速自适应控制系统可运行在嵌入式系统或台架控制工控机中。台架系统中还包括台架控制上位机，其发送目标转速至转速自适应控制系统。
图2为图1中转速自适应控制系统的原理示意图。如图2所示，台架控制上位机输出目标转速ωr至转速控制系统中的参考模型模块，通过参考模型模块进行滤波处理得到参考转速目标值ωref，再将参考转速目标值ωref分别输入至参数辨识模块和自适应反馈模块。反馈系数修正模块分别接收目标转速ωr、参考转速目标值ωref以及参考转速目标值ωref与实际转速ωd的差值e，通过反馈系数修正模块输出反馈修正系数k1、k2至自适应反馈模块。自适应反馈模块，分别接收参考转速目标值ωref、台架系统输出的实际转速ωd以及反馈修正系数k1、k2，将自适应反馈控制律设计为包括参考转速目标值ωref和实际转速ωd的函数，其中系数k1、k2可调；输出基于反馈修正系数k1、k2更新后的反馈控制量u0。扩张状态观测器模块，采集台架系统输出的实际转速ωd和测功机的目标加载力矩ufb，对台架系统内外的扰动进行观测。参数辨识模块，采集测功机实际转速、发动机转速、测功机输出扭矩等参数，对台架系统参数进行在线辨识，进而实现对b0的估计。将自适应反馈模块输出的自适应反馈控制量减掉扩张状态观测器模块输出的扰动，再除以b0，得到的台架系统的目标加载力矩，并将其发送至测功机控制器。
在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种基于扰动观测的转速控制方法。图3为本公开实施例面向发动机台架的转速自适应控制方法流程示意图。如图3所示，包括以下步骤：
步骤a：参考模型模块自台架控制上位机通过can通讯读取目标转速，并对目标转速进行一阶滤波处理得到参考转速目标值。考虑到执行器的响应速度，对台架控制上位机输出的目标转速进行一阶滤波能改善控制效果，平滑控制器的输出，并将目标转速和滤波后的转速分别作为参考模型的输入和输出，则转速的参考模型可表示为：
其中，ωref为参考模型输出的转速值，即参考转速目标值，ωr为台架控制上位机给定的目标转速，am为参考模型的时间常数，bm为参考模型的增益。本公开中取：am＝0.01，bm＝1。
步骤b：对台架系统的测功机转动惯量jd进行参数在线辨识，根据
实现扩张状态观测器中b0的估计。
由于扩张状态观测器中的参数b0与测功机转动惯量相关，为了降低bo的标定工作，可通过在线辨识得到。具体包括：
子步骤b1：建立测功机的动力学方程，并进行离散化处理。
基于牛顿第二定律，测功机的动力学方程可写为：
其中，ωe和ωd分别为发动机和测功机的转速。
目前测功机的扭矩多采用pi控制方法，即根据目标转速和实际转速的偏差以及偏差的积分来产生扭矩。因此，其内部的pi控制器可建模为：
td＝ki∫(ωr-ωd)dt+kp(ωr-ωd)(3)
结合其内部的pi控制器，并采用一阶系统来表示测功机的扭矩动态特性，则测功机的动态扭矩可建模为式(4)：
其中，jd为测功机的转动惯量；k和β分别为连接轴的刚度和柔度系数。td为测功机的输出扭矩；ki和kp分别为测功机内部pid控制器的积分和比例系数，a为测功机的时间常数，ωr为测功机的目标转速。
对式(2)两边求导，并将式(4)代入，可得：
子步骤b2：基于实时采集的发动机转速，测功机输出扭矩和转速，以及参考模型模块输出的参考转速目标值，对台架系统的测功机转动惯量等参数进行辨识。
为了基于实时采集的发动机转速、测功机实际转速、测功机输出扭矩以及目标转速等数据对台架系统参数进行在线辨识，按定步长对式(5)进行前向差分处理，可得：
ωd(k+1)＝a1ωd(k)+a2ωd(k-1)+a3ωe(k)+a4ωe(k-1)+a5td(k)+a6[φd(k)-φr(k)]+a7ωr(k)(6)
其中，ωe，ωd和td分别为采集的发动机转速、测功机转速、测功机输出扭矩；(k)是指当前时刻k的取值。
对(6)采用带遗忘因子的递推最小二乘法进行辨识，从而得到测功机转动惯量jd的值。
子步骤b3：根据
步骤c：采集测功机的实际转速和测功机的目标加载力矩ufb，利用扩张状态观测器模块对台架系统内外的扰动进行观测。具体包括：
子步骤c1：将测功机的动力学方程改写为状态空间方程的形式。
扩张状态观测器能有效观测并补偿系统内外扰动，将一般的系统改造为纯积分环节。因此，根据主动扰动控制(activedisturbancerejectioncontrol，adrc)理论，将测功机动力学模型(2)进一步写成：
其中，
将式(7)写成状态空间形式有：
式中，x2＝f，x1＝ωd，
子步骤c2：利用扩张状态观测器，以采集的测功机的实际转速y(即ωd，此处为方便观测器的表达，用y表示)和测功机的目标加载力矩u为输入，实时观测出系统的内外总扰动。
由于jd已由步骤b辨识得到。因此，扩张状态观测器可设计为：
式中，
通过使用控制律，ufb＝(-z2+u0)/b0，可以将式(7)近似转化为积分器
步骤d：自台架控制上位机获取测试循环的目标转速，结合传感器采集的测功机实际转速，基于反馈系数修正模块的输出值更新自适应反馈模块的反馈控制量。具体包括：
子步骤d1：采集测功机的实际转速，台架控制上位机输出的目标转速，以及实际转速与参考转速目标值的差值。
子步骤d2：将自适应反馈控制律设计为参考转速目标值和实际转速的函数，其中系数可调；
根据模型参考自适应控制的理论，补偿后的台架系统具有如下反馈控制律：
u0＝k1ωr+k2ωd(10)
其中，ωr为台架控制上位机输出的目标转速，ωd为台架系统输出的测功机实际转速，k1，k2为可调参数。
子步骤d3：推导系数修正方程。
经eso补偿后的测功机动力学方程简化为纯积分环节，则补偿后的台架系统方程可表示为：
参考模型输出参考转速目标值ωref和台架系统输出的测功机实际转速之差e(t)可表示为：
e(t)＝ωref-ωd(12)
结合(11)，(1)和(10)，可得：
其中，φp＝am+k2，φr＝bm-k1。
设计lyapunov函数为：
可得：
由lyapunov原理可知，k1，k2按式(16)进行取值即可保证台架系统的全局稳定。
步骤e：将步骤d计算出的自适应反馈控制量减掉步骤c观测出的扰动，得到测功机的目标加载力矩ufb，并将其发送给测功机控制器。
eso能有效观测并补偿台架系统的扰动，将台架系统改造为纯积分环节，改造后的台架系统可以基于lyapunov函数设计自适应反馈控制律。因此，测功机转速控制输入详细表达式为：
其中，b0可由子步骤b2的带遗忘因子的递推最小二乘辨识得到，整个转速控制方法只需调节观测器带宽ω0，大大简化了控制器的参数整定过程。
将根据转速控制方法计算的最终控制量ufb通过can通讯发送给测功机控制器。
在本公开的第二个示例性实施例中，在标定精度高达96％的一款1.3t增压gdi发动机gt平台上验证本公开所提出的转速控制方法的有效性，测试工况选择etc(europeantransientcycle)的前600s城市工况。图4(a)为基于带遗忘因子的递推最小二乘的台架系统参数辨识过程。图4(b)为基于扩张状态观测器的扰动估计。图4(c)为本公开提出的转速自适应控制方法在etc循环城市工况下的转速跟踪效果。
仿真结果如图4(a)～图4(c)所示，其中，图4(a)给出了基于带遗忘因子的递推最小二乘的台架系统参数辨识的过程，40个采用周期即可实现对参数的稳定辨识，辨识误差均小于0.5％。图4(b)表明了扩张状态观测器用于估计系统扰动的有效性，其中转速估计的r方高达0.9986；瞬态循环下扰动变化巨大，扩张状态观测器能基本准确估计扰动的趋势和均值。图4(c)展示了本公开提出的发动机-测功机台架系统转速控制方法的有效性，其中转速控制的相对百分误差绝对值的均值(meanabsolutepercentageerror，mape)为1.103％，传统pid控制下的mape为1.513％。
综上，本公开基于扰动观测的发动机-测功机台架系统转速自适应控制方法有效，控制性能优于传统pid，且调节参数仅为1个，大大缩短了调参时间，本公开提供的转速自适应控制方法具有自学习和自适应能力。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开面向发动机台架的转速自适应控制方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种面向发动机台架的转速自适应控制系统及其方法，能有效提高发动机-测功机台架系统的瞬态转速跟踪性能和控制方法的自适应性，控制方法需要调节的参数由传统pid方法中的3个减少为1个，调参时间大大减少。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。